Study of solar jets from the photosphere to the corona

Abstract

The solar atmosphere is an excellent laboratory for various phenomena that develop across a wide range of spatial and temporal scales, at different heights, and at multiple wavelengths of the electromagnetic spectrum. From giant coronal mass ejections and solar flares to recently discovered small-scale campfires, the Sun hosts a plethora of dynamic processes that contribute to its complex and fascinating nature. Such phenomena include solar jets, which are thought to contribute to the solar wind, a continuous outflow of plasma from the solar atmosphere into space. Solar jets are constantly observed at all wavelengths and in all regions of the solar atmosphere and are also considered to play a role in the heating of the upper atmosphere. The aim of the present thesis is to study the physical parameters of solar coronal jets in depth at multiple heights in the atmosphere, as well as to explore the mechanisms responsible for their triggering. This study constitutes one of the few multi-wavelength observations of jets, especially in the chromosphere. In particular, the study focuses on two small-scale jets originating from a non-polar coronal hole. For this purpose, a multi-instrument dataset is used, including spectroscopic data that capture spectral lines forming in the chromosphere and transition region, as well as coronal images and magnetograms of the photospheric magnetic field. Key physical parameters are derived and compared, including temperatures, velocities, and densities. Moreover, spectral line inversions are utilised to investigate the thermodynamic properties of the regions under study in the chromosphere. These results provide a comprehensive multi-layer description of the events and allow a direct comparison between them. The jets present significant differences in most physical quantities, with one being more energetic and faster. Nevertheless, both leave a signature in the shape and behaviour of chromospheric spectral lines, indicating that the origin of solar coronal jets may be traced down to the chromosphere. The triggering mechanism of one of the two jets is also investigated in depth, as it is associated with a mini-filament-like eruption prior to the jet's onset, suggesting a more complex triggering process. A possible two-stage reconnection scenario is presented, which could drive the observed jet eruption. This scenario, although not unique, is consistent with models found in the literature and the observational evidence.

Η ηλιακή ατμόσφαιρα αποτελεί ένα εξαιρετικό εργαστήριο για τη μελέτη ποικίλων φαινομένων που εκδηλώνονται σε ένα ευρύ φάσμα χωρικών και χρονικών κλιμάκων, σε διαφορετικά ύψη και σε πολλαπλά μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Από γιγάντιες στεμματικές εκτινάξεις μάζας και ηλιακές εκλάμψεις έως τα πρόσφατα ανακαλυφθέντα μικρής κλίμακας campfires, ο Ήλιος φιλοξενεί πληθώρα δυναμικών διεργασιών που συγκροτούν τη σύνθετη και συναρπαστική φύση του. Στα φαινόμενα αυτά συγκαταλέγονται και οι ηλιακοί πίδακες, οι οποίοι θεωρείται ότι συμβάλλουν στον ηλιακό άνεμο, που αποτελεί μια συνεχή εκροή πλάσματος από την ηλιακή ατμόσφαιρα προς το διαπλανητικό χώρο. Οι ηλιακοί πίδακες παρατηρούνται διαρκώς σε όλα τα μήκη κύματος και σε όλες τις περιοχές της ηλιακής ατμόσφαιρας. Επιπλέον, θεωρείται ότι παίζουν ρόλο στη θέρμανση των ανώτερων στρωμάτων της ατμόσφαιρας. Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η σε βάθος μελέτη φυσικών παραμέτρων ηλιακών πιδάκων σε πολλαπλά ύψη της ατμόσφαιρας, καθώς και η διερεύνηση των μηχανισμών πυροδότησής τους. Η εργασία αυτή αποτελεί μία από τις λίγες παρατηρήσεις ηλιακών πιδάκων σε πολλαπλά μήκη κύματος, ιδιαίτερα στη χρωμόσφαιρα. Συγκεκριμένα, η εργασία επικεντρώνεται σε δύο μικρής κλίμακας πίδακες που προέρχονται από μία μη πολική στεμματική οπή. Γι' αυτόν τον σκοπό, χρησιμοποιούνται δεδομένα από πολλαπλά όργανα, συμπεριλαμβανομένων φασματικών δεδομένων που καταγράφουν φασματικές γραμμές σχηματιζόμενες στη χρωμόσφαιρα και τη μεταβατική περιοχή, καθώς και εικόνες του στέμματος και μαγνητογράμματα του φωτοσφαιρικού μαγνητικού πεδίου. Σημαντικές φυσικές παράμετροι υπολογίζονται και συγκρίνονται, όπως η θερμοκρασία, η ταχύτητα και η πυκνότητα. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται αντιστροφές φασματικών γραμμών για τη διερεύνηση των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων των υπό μελέτη περιοχών στη χρωμόσφαιρα. Τα αποτελέσματα παρέχουν μία ολοκληρωμένη περιγραφή των γεγονότων σε διαφορετικά στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας και επιτρέπουν την άμεση σύγκρισή τους. Οι δύο πίδακες παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές στις περισσότερες φυσικές ποσότητες, με τον έναν να είναι πιο ενεργητικός και ταχύτερος από τον άλλο. Ωστόσο, και οι δύο αφήνουν αποτύπωμα στο σχήμα και τη συμπεριφορά χρωμοσφαιρικών φασματικών γραμμών, υποδεικνύοντας ότι η προέλευση των ηλιακών στεμματικών πιδάκων ενδέχεται να μπορεί να αναζητηθεί στη χρωμόσφαιρα. Ο μηχανισμός πυροδότησης ενός από τους δύο πίδακες διερευνάται επίσης σε βάθος, καθώς συνδέεται με την εκτίναξη δομής τύπου μικρονήματος πριν από την έναρξή του, γεγονός που υποδεικνύει έναν πιο σύνθετο μηχανισμό πυροδότησης. Τέλος, προτείνεται ένα πιθανό σενάριο επανασύνδεσης δύο σταδίων, το οποίο θα μπορούσε να οδηγήσει στην παρατηρούμενη έκρηξη του πίδακα. Αν και το συγκεκριμένο σενάριο δεν μπορεί να θεωρηθεί μοναδικό, είναι συμβατό τόσο με τα μοντέλα που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία όσο και με τα διαθέσιμα παρατηρησιακά δεδομένα.